第五章-传热
《食品工程原理》第五章 传热
传热
Heat Transfer
第一节 传热概述 第二节 热传导 第三节 对流传热 第四节 热交换 第五节 辐射传热
.
第一节 传热概述
5-1 传热的基本概念
1.传热基本方式
（1）热传导（conduction）
当物体内部或两直接接触的物体间有温度差时， 温度较高处的分子与相邻分子碰撞，并将能量的 一部分传给后者。
G P r 6 r .1 2 6 0 0 6 .4 7 .0 1 4 60 3
查表5-3 a = 0.53, m = 1/4
Nu=a(Pr·Gr)m
N u aL 0. 5(3 4 .1 460 )3 1/ 424.3 λ
αN λ u 24 0.3 .0 7 3.04 W 512/K (m ) L 0.1
δ1
δ2
.
本次习题
p.195
2. 5.
.
5-4 通过圆筒壁的稳态导热
5.4A 通过单层圆筒壁的稳态导热
Φλ2πrLdT
dr
Φ 2π
r2
Lr1
drλT2
r
T1
dT
Φ
2πLλ
lnr2 (T1
T2
)
r1
令
rmΦ rl2n2δ π rr12r1 m/rLλ T1T δln2rr12r2rδrm1
令 Am 2π rm L
.
M 3 Θ 1 L 1 a L T b M T 1 T 1 c M 3 Θ L 1 d M 3 L e L 2 T 2 Θ 1 f L L T 2 g
按因次一致性原则
对质量M 1 = c + d + e 对长度L 0 = a + b – c + d – 3e + 2f + g
循环流化床锅炉原理-第五章-传热
Deg
Tc1 =1+F L
L和Deg为稀相区的高度和截面直径
c=1.1 ，F=1.4，L/Deg>50时c1 =1
3.辐射换热系数计算公式
1 h rad＝ －1 (Ta－Tb ) eb ＋ew－1－ 1
第一节 密相区传热
循环流化床下部密相区与受热面间的传热机理 影响传热的各种因素
循环流化床下部 密相区与受热面 间的传热机理
(一)三个控制传热过程的因素
h=hgc +hpc +hrad
1．气体对流传热系数 2．辐射传热系数
hgc
hrad
3
. 颗粒对流传热系数 hpc
循环流化床下部 密相区与受热面 间的传热机理
循环流化床锅炉-传热
传热系统
密相区传热
稀相区传热 传热机理模型 传质
传热系数的准确性，对于循环流化床锅炉的设计、制造和运 行可靠性、安全性均起着举足轻重的作用。在锅炉设计中， 传热系数决定着受热面的布置、数量及结构，如果传热系数 选取不当，就难以达到稳定燃烧和最佳经济效益，甚至出现 受热面损坏的现象。与传统流化床一样，在循环流化床中存 在各种不同的传热过程： 1)颗粒与气流之间的传热(床内颗粒与床内气流)； 2)颗粒与颗粒之间的传热； 3)整个气固多相流与受热表面(包括壁面与悬吊在床内的 表面)之间的传热， 4)气固多相流与入床气流之间的传热。
s 为颗粒的导热率；dp为颗粒平均直 区颗粒密度； p和 g 径；cp和cg分别为颗粒和气体的定压比热容； 分别为颗粒和气体的密度；ut为截面平均流化速度； g0 为稀相区和密相区交界处的气体换热公式。
第五章 传热
液体被加热时，(/w)0.14=1.05，液体被冷却时，(/w)0.14=0.95
16
2. 圆直管强制滞流
Nu=1.86(RePrdi/l)1/3(/w)0.14 定性温度、定性尺寸和 (/w)0.14的处理同上 3. 圆直管过渡流
先按湍流计算，然后乘以校正因数
j=1-6×105/Re1.8<1
流体垂直流过单管时表面传热系数的变化
19
Nu=CRenPr0.4
Re 50~80 80~5000 ≥5000 C 0.93 0.715 0.226 n 0.4 0.46 0.6
2. 流体垂直流过管束 Nu=CeRenPr0.4 C、e、n的值由下表确定：
20
列序 1 2 3 4
直列 n 0.6 0.65 0.65 0.65
2
Pr
c p l
三、流体无相变对流表面传热系数的关联式
（一）流体在管内强制对流时的对流传热系数 1．流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数 Nu=0.023Re0.8Prn 定性温度：流体进出口温度的算术平均值 定性尺寸：管内径 流体被加热时，n=0.4 流体被冷却时，n=0.3 对高粘度流体（粘度大于水粘度的2倍），用： Nu=0.027Re0.8Pr1/3(/w)0.14 定性温度：流体进出口温度的算术平均值 定性尺寸：管内径
E Et
Et：透过的能量
E：被反射的能量
33
由能量衡算：
Ea E Et E
Ea E
E E
Et E
1
a t 1
几种物体的定义：
黑体
镜体
a=1 =0 t=0 →例:黑煤a=0.97
a=0 =1 t=0 →例:磨光的铜镜面=0.97 t=0 a+=1
第五章 传热
第五章传热1. 有一套管换热器，长10m，管间用饱和蒸汽作加热剂，一定流量下且作湍流流动的空气由内管流过，温度可升至指定温度。
现将空气流量增加一倍，并近似认为加热面壁温不变，要使空气出口温度仍保持原指定温度，则套管换热器的长度应为原来的_______。
A：2倍B：1.74倍C：1.15倍D：1.14倍2. 判断下面关于系统进行稳定传热时的说法，错误的是_______。
A：通过一定传热面的传热速率不随时间变化，为一定值B：系统中任一点的温度维持恒定C：总的传热速率等于通过垂直于热流方向的各层传热面的传热速率之和D：系统中任一传热面上的热通量在过程中不变3. 为了减少室外设备的热损失，保温层外所包的一层金属皮应该是_______。
A：表面光滑，颜色较浅B：表面粗糙，颜色较深C：表面粗糙，颜色较浅D：表面光滑，颜色较深4. 双层平壁定态热传导，两层壁厚面积均相等，各层的导热系数分别为λ1和λ2，其对应的温度差为∆t1和∆t2，若∆t1>∆t2，则和的关系为_______。
A：λ1<λ2B：λ1>λ2C：λ1=λ2D：无法确定5. 空气、水、铁的导热系数分别是λ1、λ2和λ3，其大小顺序是_______。
A：λ1>λ2>λ3B：λ1<λ2<λ3C：λ2>λ3>λ1D：λ2<λ3<λ16. 随着温差增加，空气导热系数变化趋势是_______。
A：变大B：变小C：不变D：不确定7. 随着温差增加，水的导热系数变化趋势是_______。
A：变大B：变小C：不变D：不确定8. 随着温差增加，大多数金属材料的导热系数变化趋势是_______。
A：变大B：变小C：不变D：不确定9. 随着温差增加，大多数非金属材料的导热系数变化趋势是_______。
A：变大B：变小C：不变D：不确定10. 金属的导热系数大都随其纯度的增加而_______。
A：增大B：减少C：不变D：不确定变化11. 有一φ18×2mm的无缝钢管，管内通冷冻盐水，为减少冷量损失，在管外包一导热系数λ＝0.18W/(m℃)的石棉，保温层外壁与空气对流传热系数α＝10W/(m2℃)，原包石棉厚为5mm，现改为8mm，则冷量损失是_______。
《传热学》资料第五章传热过程与传热器
《传热学》资料第五章传热过程与传热器一、名词解释1．传热过程:热量从高温流体通过壁面传向低温流体的总过程.2．复合传热:对流传热与辐射传热同时存在的传热过程.3．污垢系数:单位面积的污垢热阻.4．肋化系数: 肋侧表面面积与光壁侧表面积之比.5．顺流:两种流体平行流动且方向相同6．逆流: 两种流体平行流动且方向相反7．效能:换热器实际传热的热流量与最大可能传热的热流量之比.8．传热单元数:传热温差为1K时的热流量与热容量小的流体温度变化1K所吸收或放出的热流量之比.它反映了换热器的初投资和运行费用,是一个换热器的综合经济技术指标.9．临界热绝缘直径:对应于最小总热阻(或最大传热量)的保温层外径.二、填空题1．与的综合过程称为复合传热。
(对流传热，辐射传热)2．某燃煤电站过热器中，烟气向管壁传热的辐射传热系数为20 W／(m2．K)，对流传热系数为40 W／(m2．K)，其复合传热系数为。
(60W／(m2．K))3．肋化系数是指与之比。
(加肋后的总换热面积,未加肋时的换热面积)4．一传热过程的热流密度q＝1．8kW／m2，冷、热流体间的温差为30℃，则传热系数为，单位面积的总传热热阻为。
(60W／(m2．K)，0．017(m2.K)／W)5．一传热过程的温压为20℃，热流量为lkW，则其热阻为。
(0．02K／W)6．已知一厚为30mm的平壁，热流体侧的传热系数为100 W／(m2．K)，冷流体侧的传热系数为250W／(m2．K)，平壁材料的导热系数为0．2W／(m·K)，则该平壁传热过程的传热系数为。
(6．1W／(m2．K))7．在一维稳态传热过程中，每个传热环节的热阻分别是0．01K／W、0．35K／W和0．009lK ／W，在热阻为的传热环节上采取强化传热措施效果最好。
(0．35K／W)8．某一厚20mm的平壁传热过程的传热系数为45W／(m2．K)，热流体侧的传热系数为70W／(m2K)，冷流体侧的传热系数为200W／(m2．K)，则该平壁的导热系数为。
第五章-传热学
t w = f ( x, y , z , τ )
如果t 常数，则称为等壁温边界条件 如果 w=常数，则称为等壁温边界条件。 等壁温边界条件。
12
第二类边界条件给出边界上的热流密度分布规律 第二类边界条件给出边界上的热流密度分布规律： 给出边界上的热流密度分布规律：
qw = f ( x, y , z , τ )
8
单位时间内微元体热力学能的增加为 单位时间内微元体热力学能的增加为
dU Φλ + Φh = 于是根据微元体的能量守恒 dτ ( ut ) ( vt ) 2t 2t 可得 λ 2 + 2 dxdy ρ c p x + y dxdy x y t = ρcp dxdy τ t t t u v 2t 2t +v +t + ρcp + u = λ 2 + 2 x y x y x y τ
4
按照牛顿冷却公式
t q x = hx ( tw tf ) x= λ y w,x
hx =
qx
( tw tf ) x
λ
t y w, x
如果热流密度、 表面传热系数、 如果热流密度 、 表面传热系数 、 温度梯度及温差 都取整个壁面的平均值， 都取整个壁面的平均值，则有 λ t h= tw tf y w 上面两式建立了对流换热表面传热系数与温度场 之间的关系。 而流体的温度场又和速度场密切相关， 之间的关系 。 而流体的温度场又和速度场密切相关 ， 所以对流换热的数学模型应该包括描写速度场和温度 场的微分方程。 场的微分方程。 5
dU t = ρcp dxdy τ dτ
t t t 2t 2t ρcp + u +v = λ x 2 + y 2 x y τ
化工原理第五章传热过程计算与换热器
5.4 传热效率和传热单元数
• 当传热系数K和比热cpc为常数时，积分上式可得
• 式中NTUc（Number of Transfer Unit）称为对冷流体而言的传热单 元数，Dtm为换热器的对数平均温差。
• 同理，以热流体为基准的传热单元数可表 示
• 在换热器中，传热单元数定义 为
5.4 传热效率和传热单元数
• 2．由选定的换热器型式计算传热系数K；
• 3．由规定的冷、热流体进出口温度计算参数e、CR； • 4．由计算的e、CR值确定NTU。由选定的流动排布型
式查取e—NTU算图。可能需由e—NTU关系反复计算 NTU；
• 5．计算所需的传热面积
。
5.5 换热器计算的设计型和操作型问题
• 例5-2 一列管式换热器中，苯在换热器的管内 流动，流量为1.25 kg/s，由80℃冷却至30℃； 冷却水在管间与苯呈逆流流动，冷却水进口温 度为20℃，出口温度不超过50℃。若已知换热 器的传热系数为470 W/（m2·℃），苯的平均 比热为1900 J/（kg·℃）。若忽略换热器的散 热损失，试分别采用对数平均温差法和传热效 率—传热单元数法计算所需要的传热面积。
• 如图5-4所示，按照冷、热流 体之间的相对流动方向，流体之 间作垂直交叉的流动，称为错流 ；如一流体只沿一个方向流动， 而另一流体反复地折流，使两侧 流体间并流和逆流交替出现，这
种情况称为简单折流。
•图 P2
•55
5.3 传热过程的平均温差计算
•通常采用图算法，分三步： •① 先按逆流计算对数平均温差Dtm逆； •② 求出平均温差校正系数φ；
•查图 φ
•③ 计算平均传热温差： • 平均温差校正系数 φ <1，这是由于在列管式换热器内增设了
传热学第5章
w
•t — 热边界层厚度 •与t 不一定相等
•边界层的传热特性： •在层流边界层内垂直于壁面方向上的热量传递主要依 靠导热。湍流边界层的主要热阻为层流底层的导热热阻 。
1对流换热
•层流：温度呈抛物线分 布•湍流：温度呈幂函数分 布
•湍流边界层贴壁处的温度 梯度明显大于层流
•故：湍流换热比层流换热强！
•边界层内：平均速度梯度很大；
•
y=0处的速度梯度最大
6对流换热
•由牛顿粘性定律：
•速度梯度大，粘滞应力大
•边界层外： u 在 y 方向不变化， u/y=0
•粘滞应力为零 — 主流区
•流场可以划分为两个区： •边界层区：N-S方程
•主流区： u/y=0，=0；无粘性理想流体；
•
欧拉方程
•——边界层概念的基本思想
•强迫对流换热 •自然对流换热
7对流换热
•
(2) 流动的状态 •层流 •：主要靠分子扩散（即导热）。
•湍流 •：湍流比层流对流换热强烈
•
(3) 流体有无相变
•沸腾换热 •凝结换热
8对流换热
• (4) 流体的物理性质
• 1）热导率，W/(mK)， 愈大，对流换热愈强烈；
• 2）密度，kg/m3 • 3）比热容c，J/(kgK)。c反映单位体积流体热容
• 与 t 的关系：分别反映流体分子和流体微团的动量
•
和热量扩散的深度
•普朗特数
2对流换热
•综上所述，边界层具有以下特征：
•( • a) (b) 流场划分为边界层区和主流区。
•流动边界层：速度梯度较大，动量扩散主要区域。
•热边界层：温度梯度较大，热量扩散的主要区域
• (c) 流态：边界层分为层流边界层和湍流边界层 。湍流边界层分为层流底层、缓冲层与湍流核心。
第五章传热
第五章传热主要内容：热量传递基础；传热过程的计算；传热设备。
重点内容：傅里叶传导定律；牛顿冷却对流传热定律；传热过程基本方程；换热器的计算；管壳式换热器的设计和选用。
难点内容：传热过程基本方程。
课时安排：20第一节概述一、传热过程由热力学第二定律可知，凡有温度差存在的地方，就必然有热量的传递。
化学工业与传热密切相关，化工生产过程中许多单元操作都需要加热和冷却。
化工生产中进行传热操作的目的——1．料液的加热和冷却，为达到反应所需的温度；2．为维持反应温度，需不断输入或输出热量；3．许多单元操作需输入或输出热量；4．化工设备的保温；5．生产过程中热能的综合利用及废热的回收。
化工生产对传热过程的要求：1．强化传热——要求传热速率高，降低设备成本；2．削弱传热——可减少热损失。
二、传热的基本方式（传热机理）传热原因——传热推动力（温度差）传热方向——在无外功输入时，由热力学第二定律，热流方向由高温处向低温处流动。
传热的三种基本方式：1．热传导——物体内部或两个直接接触物体之间的传热方式。
金属导体—自由电子运动不良导体，大部分液体—温度高的分子振动，与相邻分子碰撞，造成的动量传递。
气体—分子无规则运动热传导是静止物体内的一种传递方式，没有物质的宏观位移。
2．对流传热——是指流体由质点发生相对位移而引起的热交换。
对流传热仅发生在流体中，所以与流体的流动方式密切相关。
自然对流——质点位移是由于流体内部密度差引起的，使轻者浮，重者沉；强制对流——质点运动是由外力作用所致。
对流传热同时伴有热传导，事实上无法将其分开——又称给热。
化工中所讨论的给热，都是指流体与固体壁面之间的传热过程——间壁式换热3．热辐射——是一种通过电磁波传递能量的过程任何物体，只要在0K 以上都能发射电磁波，而不依靠任何介质，当被另一物体接收后，又重新变为热能。
热辐射不仅是能量转移，也伴随着能量形式的转移。
三、间壁式换热1． 间壁式换热过程—由对流、导热、对流三过程串联而成（1）热流体以对流方式将热量传递到间壁一侧； （2）热量以导热方式通过间壁； （3）热量以对流方式传至冷流体。
第五章 传热
22/141
一、实验法求α 实验法求α
Nu =
Pr =
Re =
αl λ
故
Nu = f (Re 或Gr，Pr )
定性温度：确定物性的温度， 定性温度：确定物性的温度，有两种
t 进 + t出 主体平均温度 t m = 2
膜温
cpµ
λ
ρul µ
3 2 β ∆tgl ρ 或Gr = µ2
自然对流 对流传热 强制对流
发生在 流体内部 流体 有宏观位移
管内层流
牛顿冷却定律： Q 牛顿冷却定律：
= αA(t 1 − t 2 )
对流传热系数或给 热系数， 热系数，W/m2⋅K
自然 对流 导热
导热
辐射传热
靠电磁波传热
电热炉烧水
6/141
第二节 热传导
一、傅里叶定律
1、基本概念
传热速率 Q： ： 单位时间传递的热量， 单位时间传递的热量，J/s 热通量 q： 单位传热面积上的传热速率，J/m2s，矢量，方向为传热 ： 单位传热面积上的传热速率， ，矢量，
目录
第五章 传 热
第一节 概述 第二节 热传导
一、傅里叶定律 二、热导率 三、一维平壁稳态热传导 四、一维圆筒壁稳态热传导
1
目录
第三节 对流传热
一、实验法求α 实验法求α 二、各种情形下的α经验式 各种情形下的α
（一）无相变 1、管内层流 2、管内湍流 3、管外强制对流 4、自然对流 （二）有相变 1、冷凝 2、沸腾
接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计
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第三节 对流传热
回忆：什么是对流传热？ 回忆：什么是对流传热？ t tw
第五章-传热学
h
' h,x
' h,y
cpuxtvytdxdy
8
单位时间内微元体热力学能的增加为
dU
d
cp
t
dxdy
于是根据微元体的能量守恒
h
dU
d
可得
2t x2
2t y2
dxdy
cpuxtvytdxdy
cp
t
dxdy
cptux tvy ttu xv y
2t x2
2t y2
2
20
cp
uxt
v t y
＝
2t x2
2t y2
1
11 1
1
2
1 1
1
2
对流换热微分方程组简化为
h t tw tf y w
u v 0 x y
简化方程组只有4个方
程，但仍含有h、u、v、 p、t 等5个未知量，方
程组不封闭。如何求解？
uuxvuy1ddpxy2u2
u t x
v t y
26
第六节 相似理论基础
相似原理指导下的实验研究仍然是解决复杂对流换 热问题的可靠方法。
相似原理回答三个问题： （1）如何安排实验？ （2）如何整理实验数据？ （3）如何推广应用实验研究结果？
一、 相似原理的主要内容
1.物理现象相似的定义 2.物理现象相似的性质 3.相似特征数之间的关系 4.物理现象相似的条件
三、解的函数形式——特征数关联式
特征数是由一些物理量组成的无量纲数，例如毕 渥数Bi和付里叶数Fo。对流换热的解也可以表示成 特征数函数的形式，称为特征数关联式。
通过对流换热微分方程的无量纲化可以导出与对 流换热有关的特征数。
第五章传热的基本定律
在非稳态导热中，介质温度场是随时间 变化的。即使是一维的，比方说是无限 大平板，此时温度分布变为：
T T ( x, )
由于： T 0 x
T | 常数 ， q x
因此，不能当作热流是常数的情况，必 须另想办法。 我们研究热传导的目的： 1 求介质中的温度分布 2 求传热量
xl
d ( ) x l l (Tl T f ) dx
据此，即可求出C1，C2。
如果我们知道了这种办法，对其他变截 面的延伸表面，也可写出微分方程，求 解即可。有时方程的解不好确定，可用 试探解法。
2.3 非稳态导热
我们知道，传热介质中的温度分布一般 为：
T T ( x, y, z, )
第五章
热量传递的基本定律及应用 北京理工大学 郑宏飞
本章与前些章节的不同点
热能的处在平衡态）
热量的传递问题引入了：传热学问题。
（在有限时间内，考虑了温度不平衡引起的传 热过程）
学习前面的工程热力学，知道系统与
系统之间会发生能量交换，主要是功 和热。但上面讨论的是相互作用过程 的最终状态。而不讨论过程的性质及 发生的速率。 本章主要是研究热的传递过程及速率， 还有就是如何提高或减少它的传递速 率。（传热强化和隔热）
Qc dx U T Tf
在稳态条件下，能量平衡为：
dQx Udx(T Tf )
（减少量＝向周围流体传热量）
dQx U (T T f ) dx
dT 又因为：Qx A dx
d 2T A 2 U (T T f ) dx
d 2T A 2 U (T T f ) 0 dx
T ,Q n
有不同值，
5传热(中职中技)
2、一杯牛奶，放在水里比摆在桌子上要冷得快，为什 么？
水的传热速率快些
在温度差的驱动下，通过分子相互碰撞、分子振动、电子的迁移传递 热量的过程--导热
热传导机理 液体：分子间作用力较强，由相邻分子振动导致热传递 固体：相邻分子的碰撞或电子的迁移。 气体：温度不同的相邻分子相互碰撞，造成热量传递。
冷凝传热：排除不凝气体；阻止液膜形成减薄 液膜厚度；减少垂直方向上管排的数目。 沸腾传热：加大传热面粗糙程度；加入添加剂 （如乙醇、丙酮等）。
小结： 1.有相变时的对流传热 系数。 2.提高对流传热系数的 措施
作业：
1.蒸汽冷凝方式有
和
。
对流传热系数更大，但
冷
凝在工业上更容易控制，被经常使用。
高于0K的物质都有热辐射 物体温度↑，热辐射能力↑
三、工业生产上的换热方法
1.直接接触式换热 适用于允许两股流
体直接接触混合的场 合。
2.蓄热式换热 操作时冷、热流体交替地流过蓄热室。
3.间壁式换热 适用于两股流体间
需要进行热量交换而又 不允许直接相混的场合。
1、热力学第二定律说明传热的推动力是
的壁面直接接触。
一般换热器冷凝按膜状冷凝考虑冷凝的传热系 数一般都很大。
当蒸汽中有空气或其他不凝气体存在时，则在 壁面上生成一层气膜。由于气体热导率很小， 使传热系数明显下降。
如蒸汽中不凝性气体的含量为1%时，可降低 60%左右。因此能冷凝器装有放气阀。及时排 出不凝性气体 。
液体沸腾是指在液体的对 流传热过程中，伴有由液相 变为气相，即在液相内部产 生气泡或气膜的过程。
3.热辐射Radiation
辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。 物体发射电磁波，在红外、可见光范围内具有热效应。
化工原理课后答案(中国石化出版社)-第5章----传热
第五章 传热1.一立式加热炉炉墙由厚150mm 的耐火材料构成，其导热系数为λ1＝1.3W/(m ·K)，其内外表面温度为ll00℃及240℃，试求通过炉墙损失的热量(W/m 2)；若外加一层25mm ，λ2＝0.3W/(m·K)的绝热材料，并假定炉内壁温度仍为1100℃，而热损失降至原来的57％，求绝热层外壁温度及两层交界面处的温度。
解：211213.74533.115.02401100m W b t t AQ q =-=-==λ24.424857.0'm W q q ==4.42483.0025.03.115.01100'3221131=+-=+-==t b b t t A Qq λλ解得：3t =255.8℃4.42483.115.01100''21121=-=-==t b t t A Q q λ解得：'2t =609.8℃2某加热炉炉墙由耐火砖、绝热层与普通砖组成，耐火砖里侧温度为900℃，普通砖外侧温度为50℃，各层厚度分别为：耐火砖140mm ，绝热层(石棉灰)20mm ，普通砖280mm ；各层导热系数：λ1＝0.93W /(m·K)，λ2＝0.064W /(m·K)，λ3=0.7W/(m·K)。
(1)试求每m 2炉墙的热损失；(2)若普通砖的最高耐热温度为600℃，本题条件下，是否适宜? 解： （1）2332211419.9847.028.0064.002.093.014.050900m W b b b t t q =++-=++-=λλλ （2）2333439.9847.028.050m W t b t t q =-=-=λ 解得：3t =444℃ 适宜3.用平板法测定某固体的导热系数，试件做成圆形薄板，直径d ＝120mm ，厚度为δmm ，与加热器的热表面及冷却器的冷表面直接接触。
所传递的热量(一维导热)，用加热器的电能消耗计算之。
传热学第五章
h Atw t
以后除非特殊声明外,我们所说的对流换热系数皆指平均对流换
热系数,以 h 表示.
h(x)规律说明
Laminar region
x (x) h (x) 导热
Transition region
扰动
h(x)
Turbulent region
湍流部分的热阻很小,热阻主要集中在
粘性底层中.
2.按有无相变分
单相介质传热:对流换热时只有一种流体.
相变换热:传热过程中有相变发生.
物质有三态,固态,液态,气态或称三相.
相变换热有分为:
沸腾换热:(boiling heat transfer)物质由液态变为气态时发生 的换热.
凝结换热:(condensation heat transfer)物质由气态变为 液态时发生的换热. 熔化换热(melting heat transfer) 凝固换热(solidification heat transfer) 升华换热(sublimation heat transfer) 凝华换热（sublimation heat transfer ）
由上述分析可见,边界层控制着传热过程,故一些研究人员试图通过
破坏粘性底层来达到强化传热的目的,并取得了一些成果.
二、边界层微分方程组.
牛顿流体(Newtonian fluid),常物性,无内热源,耗散不计,稳态,
二维,略去重力.
完性分析已知：u，t，l 的量级为0(1) ， t 的量级为0(）
以此五个量为分析基础。
2.动量方程(momentum equation)
u v 0 x y
u
u
u x
v
u y
Fx
p x
化工原理(第五章传热第五节)
吉 首 大 学
流体在管束外横掠流动
化 工 原 理 由于各排的给热系数不同，则整个管束的平均给热系数应按 下式求出： a1A1+ a2A2 + a3A3 + … am = A1+A2 + A3 + … 式中：A1、A2、A3……分别为第一排，第二排，第三排…… 的传热面积； a1 、 a2 、 a3……分别为第一排，第二排，第三排…… 的传热系数。
d A2 π d 2dl d 2 = = d Am π d mdl d m
吉 首 大 学
1 = d2 ＋ b d2 ＋ 1 a2 a1 d1 λ dm K2
当间壁为平壁，或管壁很薄或管径较大时，dA1 、dA2 、dAm 和 dA 相等或近似相等，则： 1 = 1 ＋ b ＋ 1 a2 a1 λ K2
Q QR
Q A + QR + QD = Q Q A QR QD + + =1 Q Q Q
QA
吉 首 大 学
QD
A+ R + D =1
A、R 和 D 分别为物体吸收率、反射率和透过率。 单色吸收率、反射率和透过率
a(λ , T ) + r (λ , T ) + d (λ , T ) = 1
基本概念
化 工 原 理 黑体(绝对黑体)：能将辐射能全部吸收的物体，即 A=1, R=D=0。自然界中并不存在绝对黑体，例如没有光泽的黑墨 表面，其吸收率 A=0.96~0.98，定义黑体的目的是为了在计 算中确定一个比较的标准。 镜体(绝对白体)：能将辐射能全部反射的物体，即 R=1, A=D=0。自然界中也不存在绝对镜体，例如表面抛光的铜， 其反射率 R=0.97。 0.97 透热体：辐射能全部透过的物体，即D=1, A=R=0。例如对 称双原子气体 O2、N2、H2 等都是透热体。 灰体：能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体。灰 体也是理想物体，其特点为：吸收率 A 与波长无关；为不透 热体 (A+R=1)。工业上常见的固体材料均可视为灰体。
第五章--传热专业知识讲座
▪ 常压下：T ↑→λ↑；
▪ 一般情况下，气体导热系数与压强无关； ▪ 气体不利于导热，利于保温，
▪当λ＜0.2 W/(m·K)时，可用作隔热材料，如保温棉、玻璃棉等；
低压气体混合物旳导热系数可由下式求得：
1
xii M i 3
m i
1
xi M i 3
i
式中，xi，Mi，λi分别为i组分旳摩尔分率，分子量及导热系数。
特点：
▪ 任何物体，只要T ＞0K，均存在辐射传热；
▪可在真空中传递，不需要任何中介； ▪ 传热过程中伴随能量形式旳转换。 ▪只有在高温下才干成为主要传热方式。
第一节 概述
传热过程中冷热流体（接触）热互换方式
（一）直接接触式和混合换热器
优点:传热效果好， 设备构造简朴， 传热效率高。
对于工艺上允许两流体相互混合旳情况
第5章 传热
Chapter 5
Heat Transfer
第5章 传热
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
概述 热传导 对流传热 沸腾与冷凝给热 两流体间旳传热计算
第一节 概述
一、传热在石油化工中旳应用 1.原料、产品旳加热和冷却
第一节 概述
2.对设备及管线进行保温（保冷），降低热量损失。
第一节 概述
第二节 热传导
一、基本概念 1.温度场与温度梯度
温度场：任一时刻，物体各点旳温度分布情况，称为温 度场，以数学式表达如下：
T f x, y, z,
对稳定热传导过程，物体各点温度均不随时间变化，则 温度场体现式变为：
T f x, y,z
第二节 热传导
2.一维稳定热传导：温度只沿一种坐标方向变化，称为一 维稳定热传导，其数学体现式为：
第五章 传热
23
3．固体的导热系数
• 导热性能与导电性能密切相关，一般而言，良好 的导电体必然是良好的导热体，反之亦然。在所 有固体中，金属的导热性能最好。大多数金属的 导热系数随着温度的升高而降低，随着纯度的增 加而增大，也即合金比纯金属的导热系数要低。 • 非金属固体的导热系数与其组成、结构的紧密程 度及温度有关。大多数非金属固体的导热系数随 密度增加而增大；在密度一定的前提下，其导热 系数与温度呈线性关系，随温度升高而增大。 • 应予指出，在导热过程中导热体内的温度沿传热 方向发生变化，其导热系数也在变化，但在工程 计算中，为简便起见通常使用平均导热系数。
传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。 （一）热传导 热传导又称导热，是借助物质的分子或原子振动以及自由电子的热 运动来传递热量的过程。当物质内部在传热方向上无质点宏观迁移 的前提下，只要存在温度差，就必然发生热传导。可见热传导不仅 发生在固体中，同时也是流体内的一种传热方式。
在静止流体内部以及在作层流运动的流体层中垂直于流动方向上的 传热，是凭借流体分子的振动碰撞来实现的，换言之，这两类传热 过程也应属于导热的范畴。 很显然，导热过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质点块的 宏观迁移。
△tm---推动力，冷热流体的平均温差。
应用：设计计算与校核计算；强化传热的途径
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第二节 热传导
一、傅立叶定律
（一）导热的分类
由热传导引起的传热速率称为导热速率，其与导热体 内部的温度分布情况有关。导热体内部在空间和时间 上的温度分布称为温度场。 若温度场内各点的温度随时间变化，则称为不稳定温 度场。可用数学表达式表示为： t = f (x, y, z, θ)
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2．液体的导热系数
• 液体可分为金属液体（液态金属）和非金属液体。 液态金属的导热系数比一般液体的高，其中熔融 的纯纳具有较高的导热系数，大多数金属液体的 导热系数随温度的升高而降低。在非金属液体中， 水的导热系数最大。除水和甘油外，大多数非金 属液体的导热系数亦随温度的升高而降低。通常 纯液体的导热系数较其溶液的要大。液体的导热 系数基本上与压强无关。
化工原理课件第五章 传热
温度场的通式
温度场的通式：
t f x, y, z,
式中： t —— 某点的温度，k；
X，y，z —— 这点的空间坐标；
θ —— 时间，s。
若在稳定温度场中， 表示式为：
t f x, y, z
稳定温度场和不稳定温度场
（1）不稳定温度场 —— 温度随时间而改变 的温度场，称为：不稳定温度场 。
称为：传热速率，用Q表示，单位：J/s， 即w（瓦）。
（三）辐射
1、辐射——是一种以电磁波传递能量的现象。 物体可以由不同原因发出辐射能。
2、热辐射——物体因热而发出辐射能的过程， 称为：热辐射radiation。
3、 只要物体的绝对温度大于 0K，便会不停地 将热量以电磁波的形式传递出去，同时也不断 地将其他物体辐射来的能量转为热量。辐射与 吸收能 量的差额转变为低温物体的热量。但 是，只有物体具有较高温度时， 辐射才为主 要形式。
传热面上不同局部面积的热通量可以不同。
3、热流量Q与热通量q的关系
式中：
q dQ dA
Q——热流量，单位为：J/s，即w（瓦） 。
q——热通量（热流密度），单位为：J/(m2·s)，即 w/m2。
A——传热面积， m2 。
热流量Q与热通量q的关系
（1）热通量q基于微元面dA，热通量q可以 用于局部地区。
1、热源——电热、饱和水蒸汽、烟道气、高 温载体等。
2、冷源——冷却水、空气、冷却盐水等。 冷却水——河水、海水、井水等。
二、传热的三种基本方式
• 1、热传导（导热） • 2、对流 • 3、辐射
（一）热传导（简称：导热）
1、热传导——热量从物体内部温度较高
的部分传递到温度较低的部分或者传递到与 之接触的另一物体的过程，称为：热传导， 简称：导热conduction。
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第五章-传热第五章 传热一．填空1. 传热的三种基本方式为___________ 、_____________、____________。
2. 工业上两种流体热交换的基本方式有_________、__________、__________。
3. 热流体将热量通过壁面传给冷流体的过程是______________________、_______________、________________________________。
4. 对流传热又分___________对流和___________对流。
5. 不需要任何介质的传热称为_________传热。
6. 傅立叶定律表达式为_________，负号表示_____________________。
7. 一般固体、液体和气体相比较，导热系数值的大小顺序为___________。
8. 金属的导热系数大多随其纯度的增加而_____，随其温度的升高_____。
9. 对流传热的热阻主要集中在______________，因此____________________是强化对流传热的重要途径。
10. 蒸汽冷凝有二种方式，即_____________和________________。
11. 吸收率等于1的物体称为_____________。
12. 反射率等于1的物体称为_____________。
13. 透过率等于1的物体称为_____________。
14. 能以相同的吸收率且部分地吸收由零到∞的所有波长范围的辐射能的物体称为_____________。
15. 灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比，称为物体的_____________。
16. 用二种厚度相同的材料保温时，往往把_____________ 的材料包在内层，以达到好的保温效果。
17. ()()n e R d Pr ..023.08.0内λα=式中两个准数Re =__________，Pr=__________.若液体被冷却时n=____________。
二．选择题1. 对双层平壁的稳态导热过程，壁厚相同，各层的导热系数分别为1λ和2λ，其对应的温差分别为1t ∆和2t ∆，若1t ∆> 2t ∆，则1λ和2λ的关系为____。
A. 1λ<2λB. 1λ=2λC. 1λ>2λD. 不确定2. 物质导热系数的顺序为（ ）。
A. 金属>一般固体>液体>气体B. 一般固体>金属>液体>气体C.液体>一般固体> 金属>气体D. 气体>液体>一般固体>金属3.14、冷热两流体的对流给热系数α相差较大时，提高总传热系数K值的措施是（）。
A.提高小的α值B. 提高大的α值C.两个都同等程度提高；D. 提高大的α值，同时降低小的α值4.关于传热糸数K下述说法中错误的是（）。
A. 传热过程中总传热糸数K实际上是个平均值；B. 总传热糸数K随着所取的传热面不同而异；C. 总传热糸数K可用来表示传热过程的强弱，与冷热流体的物性无关；D. 要提高K值，应从降低最大热阻着手；5.当换热器中冷热流体的进出口温度一定时，判断下面的说法哪一个是错误的（）。
A．逆流时，Δt m一定大于并流、错流或折流时的Δt mB．采用逆流操作时可以节约热流体（或冷流体）的用量C．采用逆流操作可以减少所需的传热面积D．温度差校正系数φ的大小反映了流体流向接近逆流的程度。
6.物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为（）。
A．热传导 B. 热传递 C. 热放射 D. 热流动。
三、简答1．热传递有哪几种基本方式？热传导、对流、辐射。
2．各种传热方式相比较，热传导的主要特点是什么？在热传导中，物体各部分之间不发生相对位移。
3．各种传热方式相比较，对流的主要特点是什么？对流仅发生在流体中，流体各部分之间发生相对位移。
4．各种传热方式相比较，热辐射的主要特点是什么？热辐射不需要任何介质，可以在真空中传播。
5．流体与固体壁面间对流传热的热阻主要集中在何处？热阻主要集中在紧挨固体壁面处的层流底层内。
6．强化对流传热的主要途径是什么？提高流体的湍动程度，减小层流底层的厚度。
7．在一套管换热器中，若两流体的进、出口温度不变，应选择并流换热还是逆流换热？为什么？应选择逆流换热，因为此时的对数平均温差较大，可以节省换热面积。
8．什么是黑体？吸收率等于1的物体称为黑体。
9．什么是白体？反射率等于1的物体称为白体。
10．什么是透热体？透过率等于1的物体称为透热体。
11．什么是灰体？能以相同的吸收率且部分地吸收由零到∞所有波长范围的辐射能的物体称为灰体。
12．什么是物体的黑度？灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比称为物体的黑度。
13．为什么内部孔隙多的材料保温效果好?因为大量的孔隙中包含着导热系数非常小的气体，对导热不利，从而起到了保温的作用。
14．在强化传热的过程中，为什么要想办法提高流体的湍动程度?由于对流传热的热阻主要集中在层流底层内，提高流体的湍动程度能减薄层流底层的厚度，可以提高传热效果。
15．在夏季人们为什么爱穿浅色衣服?由于在阳光下浅色的衣服反射率较大，吸收的热量少，使人们不至于感觉太热。
16．虽然大气层包围着地球，但阳光仍能照射到地球表面，因为空气是透热体。
此话对吗？为什么？不对，只有单原子气体和对称双原子气体是透热体，而空气中的二氧化碳和水蒸气都可以部分地吸收太阳发射的辐射能。
17．间壁式换热器与混合式换热器的区别是什么？间壁式换热器是由固体壁面将冷、热两种流体分开，通过固体壁面传热，而混合式换热器中则是将冷、热两种流体直接接触、混合换热。
四．计算题1. 在由118根φ25⨯2.5，长为3m 的钢管组成的列管式换热器中，用饱和水蒸汽加热空气，空气走管程。
已知加热蒸汽的温度为132.9℃，空气的质量流量为7200kg/h ，空气的进、出口温度分别20℃和60℃，操作条件下的空气比热为1.005 kJ/(kg ⋅℃)，空气的对流给热系数为50 W/(m 2⋅℃)，蒸汽冷凝给热系数为8000 W/(m 2⋅℃)，假定管壁热阻、垢层热阻及热损失可忽略不计。
试求：（1）加热空气需要的热量Q 为多少？（2）以管子外表面为基准的总传热系数K 为多少？（3）此换热器能否完成生产任务？解：（1）()()4.802060005.13600/72001222=-⨯⨯=-=t t c w Q p kJ/s （3分）(2) 8.395002.0025.08000111111222=⨯+=+=h d d h K W/(m 2⋅℃) （4分）(3) 8.273025.014159.31182=⨯⨯⨯=A m 2 （2分） 45.919.1129.72ln 40ln 2111=-=∆∆∆-∆=∆t t t t t m ℃ （3分） 184.101J/s 10118445.918.278.3922==⨯⨯=∆=m t A K Q kJ/s ， （3分） 能够完成生产任务。
2. 外径为50mm 的不锈钢管，外包6mm 厚的玻璃纤维保温层，其外再包20mm 厚的石棉保温层，管外壁温为300︒C ，保温层外壁温为35︒C ，已知玻璃纤维和石棉的导热系数分别为0.07W/(m ⋅K)和0.3 W/(m ⋅K)，试求每米管长的热损失及玻璃纤维层和石棉层之间的界面温度。
解： ()()m W r r r r t t L Q /9.35162102ln 3.015062ln 07.01353002ln 1ln 1223212131=+-=+-=πλλπ ()m W r r t t L Q /9.351ln 1212121=-=λπ 所以 C t ︒=⨯-=128207.39.3513002π ∴ W/（ｍ·℃）3. 某单程列管式换热器，其换热管为225⨯Φ mm 的不锈钢管，管长为3m ，管数为32根。
在该换热器中，用25℃的水将壳程的110℃的某有机蒸汽冷凝成同温度的液体，该有机蒸汽的冷凝传热系数为3102.8⨯ W/(m 2·℃)。
水的流量为15000 kg/h ，平均比热容为4.18 kJ/(kg·℃)；管壁与水的对流传热系数为1000W/(m 2·℃)；不锈钢的导热系数为17 W/(m·℃)。
试求：1．总传热系数o K ；2．水的出口温度。
解：1．总传热系数o Ki i o m o o o d d d d b K αλα++=113.694021.01000025.0023.017025.0002.0102.8113=⨯+⨯⨯+⨯=o K W/(m 2·℃)2．水的出口温度2tm o o pc c t S K t t C W Q ∆=-=)(1221122121ln ln )()(t T t T t t t T t T t T t T t m ---=-----=∆ 211212ln )(t T t T t t S K t t C W oo pc c ---=- pc c oo C W S K t T t T =--21ln （1）536.73025.014.332=⨯⨯⨯==L d n S o o π m 23.01018.43600/15000536.73.6943=⨯⨯⨯=pc c o o C W S K 代入（1）式，得3.011025110ln 2=--t 解出 472=t ℃4. 直径为 60×3 mm 的钢管用30 mm 厚的软木包扎，其外又用100 mm 厚的保温灰包扎，以作为绝热层。
现测得钢管外壁面温度为 —110℃，绝热层外表面温度10℃。
已知软木和保温灰的导热系数分别为0.043和0.07 W/（m·℃），求每米管长的冷量损失量。
解：由圆筒壁的导热速率方程知其中 r 1 = 30 mm ，r 2 = 60 mm ，r 3 = 160 mm∴ W/m负号表示由外界向系统内传热，即为冷量损失量。
5. 一套管式换热器管内流体的对流传热系数αi = 20 W/（m2·℃），管间流体的对流传热系数α0 = 350 W/（m2·℃）。
若将管内和管间两种流体的对流传热系数分别提高一倍，总传热系数K分别相应增加多少？（管壁热阻及污垢热阻可忽略不计，管壁厚度按薄壁管处理）解：原流动情况m2·℃/WK=18.92 W/ m2·℃（1）管内对流传热系数增加一倍= 2= 2×20= 40 W/ m2·℃K=35.9 W/ m2·℃（35.9-18.92）/18.92 = 89.75%（2）管外对流传热系数增加一倍= 2×350 = 700 W/ m2·℃K = 19.44 W/ m2·℃（19.44-18.92）/18.92 = 2.75%6. 在列管式换热器中用水冷却油，水在管内流动。